27.10.2011

Ruhr-Universität Bochum

Dem Zufall auf die Sprünge helfen

Materialbibliotheken helfen auf der Suche nach neuen Werkstoffen
Untersuchung mit Hochdurchsatzexperimenten

Um komplexe Hochleistungswerkstoffe zu entwickeln, kann sich die Forschung nicht auf Zufallsfunde verlassen. RUB-Werkstoffwissenschaftler stellen daher gezielt eine hohe Anzahl verschiedener Legierungen aus drei oder mehr Ausgangsstoffen in einem Experiment her und untersuchen die so entstehenden Materialbibliotheken automatisiert mit Hochdurchsatzmethoden. Die Chancen für die Erfindung neuer Werkstoffe stehen gut: Nur ein Bruchteil der unzähligen möglichen Kombinationen nutzbarer Ausgangsstoffe ist bislang bekannt und erforscht.


Die wenigsten Kombinationen sind untersucht

Neue Werkstoffe spielen eine große Rolle bei technischen Innovationen. Bisher war die Entdeckung wichtiger Werkstoffe oft durch glückliche Zufälle begünstigt, wie z.B. beim zurzeit wichtigsten Formgedächtniswerkstoff Nickel-Titan. Auf den Zufall kann man sich aber nicht immer verlassen. Heutige Höchstleistungswerkstoffe sind hochkomplex und ihre Neu- oder Weiterentwicklung erfordert große Anstrengungen. Die Chancen für die Erfindung neuer Werkstoffe sind durchaus gegeben: Wenn man aus dem Periodensystem z.B. nur 50 mögliche Ausgangselemente auswählt, ergeben sich bereits ca. 20.000 Kombinationsmöglichkeiten für dreikomponentige Systeme und über 200.000 für vierkomponentige. Die wenigsten davon sind experimentell untersucht.

Sputter-Anlage stellt in einem Experiment ganze Bibliothek her

Um dabei voranzukommen, erstellen Forscher der RUB Materialbibliotheken, die sie automatisiert im Hochdurchsatz untersuchen können. Dabei werden drei oder mehr Ausgangsmaterialien in einer so genannten Sputter-Anlage gleichzeitig oder nacheinander auf ein Trägermaterial, einen Wafer, abgeschieden. Durch den Beschuss mit Argon-Ionen werden einzelne Atome aus den ursprünglichen Feststoffen herausgelöst. Sie schlagen sich dann auf dem Wafer nieder. Durch die gewählten Winkel der Quellen zum Wafer entsteht jeweils eine keilförmige Schicht des Ausgangsmaterials. Je nachdem, ob verschiedene Quellen gleichzeitig oder zeitversetzt zum Einsatz kommen, überlagern sich diese Schichten oder die Materialien durchmischen sich. Die Temperatur ist bei dem Prozess einstellbar, weil auch sie Einfluss auf das Ergebnis hat. An jedem Punkt des Wafers entsteht so eine ganz eigene Mischung, eine Materialbibliothek. Die Forscher um Prof. Alfred Ludwig untersuchen diese Bibliothek dann mit Hochdurchsatzverfahren auf verschiedene Eigenschaften. Stellt sich ein Punkt auf dem Wafer als viel versprechend heraus, wird das entsprechende Material weiter untersucht.

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